JP2007270842A - Method for reducing stress in turbine bucket and turbine blade - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for reducing stress in a turbine bucket having a metallic base material, and tuning a frequency. <P>SOLUTION: This method includes a stage of filling one or a plurality of pockets 11 in the bucket with a polymer composite material 14 having continuous fiber 16 in a resin matrix 18. The fiber has orientation determined by a frequency tuning method or a damping method selected in advance by the bucket. A turbine blade 20 includes at least one bucket 10. The bucket includes the metallic base material having one or a plurality of pockets 11 filled with the polymer composite material 14 having the continuous fiber 16 joined in the resin matrix 18. The fiber has the orientation determined by frequency tuning selected in advance by the bucket. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、総括的にはタービンバケット内の応力を低減するための方法及び装置に関し、より具体的には、複合材料を使用して、そのような応力を低減しかつバケット振動数を減衰させるための方法及び装置に関する。   The present invention relates generally to a method and apparatus for reducing stress in a turbine bucket, and more specifically, using a composite material to reduce such stress and damp the bucket frequency. The present invention relates to a method and an apparatus.

タービンバケット（ブレード）は、大きな遠心荷重及び振動応力を受け、またバケットに対する流れ入射角が変動する環境内で作動する。振動応力は、これらの荷重及び応力がバケットの固有振動周波数（固有共振振動数）に近づいた時に増大する。バケットが共振状態で振動する時の振動応力の大きさは、システム内に存在する減衰量（この場合、減衰作用には、材料的、空気力学的及び機械的な要素が含まれる）と刺激レベルとにほぼ比例する。連続結合型バケットの場合には、振動の周波数（振動数）は、ブレードシステム全体の関数であり、必ずしも個々のブレードの関数ではない。   Turbine buckets (blades) operate in an environment that is subject to large centrifugal loads and vibrational stresses and where the flow incident angle on the bucket varies. Vibration stress increases when these loads and stresses approach the bucket's natural frequency (natural resonance frequency). The magnitude of the oscillating stress when the bucket vibrates in resonance depends on the amount of damping present in the system (in this case, the damping action includes material, aerodynamic and mechanical elements) and the stimulation level Is almost proportional to In the case of continuously coupled buckets, the frequency of vibration (frequency) is a function of the entire blade system and not necessarily a function of individual blades.

ハイブリッドバケットは、主として金属基体で作られているが、少なくとも１つの「ポケット」が非金属複合材料充填材で充填されたタービンバケット（例えば、蒸気タービンバケット又はガスタービンバケット）を含む。充填材は、元の翼形部表面を有する複合材料マトリックスを得るために、連続ガラス、カーボン、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）又はその他の繊維で補強したポリイミド又はその他のタイプのポリマー樹脂（又は、それらの組合せ）を含むことができる。今日では、複合材料マトリックスは、ウィンデージ（バケットの低流量高速「空転」）状態の間に高いバケット温度を有するタービンにおいて使用するように設計されている。しかしながら、そのような高剛性耐熱複合材料は、金属に対して良好に接着しない。   Hybrid buckets are made primarily of metal substrates, but include turbine buckets (eg, steam turbine buckets or gas turbine buckets) in which at least one “pocket” is filled with a non-metallic composite filler. The filler may be a continuous glass, carbon, Kevlar® or other fiber reinforced polyimide or other type of polymer resin (or their type) to obtain a composite matrix with the original airfoil surface. Combination). Today, composite matrices are designed for use in turbines with high bucket temperatures during windage (bucket low flow high speed "idle") conditions. However, such high stiffness heat resistant composite materials do not adhere well to metals.

複合材料で作られたタービンブレードに関する多くの特許が発行されている。例えば、「ガスタービン用の多要素ブレード」の名称の米国特許第５，７２０，５９７号には、金属及び発泡体で作られた航空機用ガスタービンブレードが記載されており、ブレードには、複合材料外皮、耐侵食性皮膜又はその両方が設けられている。また「蒸気タービン用の多要素ブレード」の名称の米国特許第６，１３９，７２８号には、米国特許第５，７２０，５９７号に開示されたのと同様であるが、蒸気タービン用のものである構成が開示されている。しかしながら、これらの特許のいずれも、振動数チューニング及び／又は減衰の利点については記載又は示唆していない。同様に、「異なる密集度の区域を有する蒸気タービンブレード配列」の名称の米国特許第５，９３１，６４１号には、複合材料で製作された蒸気タービンブレードが記載されているが、この特許もまた、振動数チューニング又は減衰については論じていない。さらに、「埋設リブを備えたハイブリッドブレード」の名称の欧州特許第ＥＰ１１５２１２３ Ａ２号には、ハイブリッド法が記載されているが、蒸気又はガスタービンブレードに対する振動数チューニング或いはハイブリッド法の適用については記載されていない。さらに、これらの特許のどれも、繊維を配向するための何らかの方法又は手段を提示していないし、また混合チューニング法を使用して１組のバケットのうちのバケットの固有振動数を変更するために配向又は積層法を使用することができるという知見についても全く開示していない。
米国特許第５，７２０，５９７号公報 米国特許第６，１３９，７２８号公報 米国特許第５，９３１，６４１号公報 欧州特許第ＥＰ１１５２１２３ Ａ２号公報 Many patents have been issued relating to turbine blades made of composite materials. For example, US Pat. No. 5,720,597 entitled “Multi-Element Blade for Gas Turbine” describes an aircraft gas turbine blade made of metal and foam, which includes a composite A material skin, an erosion resistant coating or both are provided. US Pat. No. 6,139,728 entitled “Multi-element blades for steam turbines” is similar to that disclosed in US Pat. No. 5,720,597, but for steam turbines. The structure which is is disclosed. However, none of these patents describe or suggest the benefits of frequency tuning and / or damping. Similarly, US Pat. No. 5,931,641 entitled “Steam Turbine Blade Arrangement with Different Concentration Zones” describes a steam turbine blade made of a composite material, Also, frequency tuning or damping is not discussed. Furthermore, European Patent No. EP1152123 A2 entitled “Hybrid Blade with Embedded Ribs” describes the hybrid method, but does not describe frequency tuning or application of the hybrid method to steam or gas turbine blades. Not. Furthermore, none of these patents present any method or means for orienting the fibers and to change the natural frequency of a bucket in a set of buckets using a mixed tuning method. There is also no disclosure of the knowledge that orientation or lamination methods can be used.
US Pat. No. 5,720,597 US Pat. No. 6,139,728 US Pat. No. 5,931,641 European Patent No. EP1152123 A2

１つの態様では、本発明の幾つかの構成は、金属母材を有するタービンバケット内の応力を低減する方法を提供する。本方法は、バケット内の１つ又は複数のポケットを、樹脂マトリックス内に連続繊維を有するポリマー複合材料で充填する段階を含み、繊維は、バケットの事前選択した振動数チューニング法及びバケットの減衰法の少なくとも１つにより決定された配向を有する。   In one aspect, some configurations of the present invention provide a method for reducing stress in a turbine bucket having a metal matrix. The method includes the step of filling one or more pockets in a bucket with a polymer composite having continuous fibers in a resin matrix, wherein the fibers are preselected frequency tuning methods for the bucket and bucket damping methods. Having an orientation determined by at least one of the following:

別の態様では、本発明の幾つかの構成は、チューニング済みタービンブレードを提供する。本ブレードは、少なくとも１つのバケットを含む。１つ又はそれ以上のバケットは、樹脂マトリックス内に結合された連続繊維を有するポリマー複合材料で充填された１つ又は複数のポケットを備えた金属母材を有する。繊維は、バケットの事前選択した振動数チューニング法及び混合振動数チューニング法の１つにより決定された配向を有する。   In another aspect, some configurations of the present invention provide a tuned turbine blade. The blade includes at least one bucket. One or more buckets have a metal matrix with one or more pockets filled with a polymer composite having continuous fibers bonded within a resin matrix. The fibers have an orientation determined by one of a bucket preselected frequency tuning method and a mixed frequency tuning method.

本明細書で使用する場合、数詞がない又は「少なくとも1つの」という形で記載した要素又は段階は、そうではないことを明記していない限り、複数のそのような要素又は段階を除外するものではないと理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」（又は、「他の実施形態」）という表現は、同様に記載の特徴を組み込んだ付加的な実施形態の存在を除外するか、又は本発明に関連して記載したその他の特徴を除外するかのいずれかと解釈されることを意図していない。さらに、そうではないことを明記しない限り、特定の特性を有する１つ又は複数の要素を「含む」又は「有する」実施形態は、その特性を有しない追加的なそのような要素を含むことができる。   As used herein, an element or step that is not numerical or described in the form of “at least one” excludes a plurality of such elements or steps unless explicitly stated otherwise. I hope you understand that. Furthermore, the phrase “one embodiment” (or “other embodiment”) of the invention excludes the presence of additional embodiments that also incorporate the recited features or is related to the invention. It is not intended to be construed as either excluding other features set forth herein. Further, unless otherwise specified, embodiments that “include” or “have” one or more elements with a particular characteristic may include additional such elements that do not have that characteristic. it can.

本発明の幾つかの構成では、また図１及び図２を参照すると、連続的に結合した（連続結合型）タービンブレード２０の列又は独立したタービンブレード２０をチューニングする方法を提供し、本方法は、振動の振幅の減少及び／又は減衰特性を促進する。本方法は、ハイブリッドバケット１０の構成において方向性のある繊維１６の配向を使用する段階を含む。バケット１０は、１つ又は複数のポケット１１を備えた金属母材で作ることができ、ポケットは、ポリマー複合材料で充填することができる。複合材料１４は、ポリイミドベースの複合材料又は別の好適な材料タイプとすることができる。複合材料１４は、ガラス、カーボン、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）又はその他の繊維のような繊維１６を含み、これらの繊維は、例えば樹脂マトリックス内に結合される。繊維１６は、単一層内に、複数の層内に、１つ又はそれ以上の織物層内に或いはマトリックス１８全体にわたって含有させることができる。繊維１６の配向は、特定の方式でバケット１０をチューニングするのを可能にするように選択され、かつ／又はバケットの組を「混合チューニング」するように使用することができる。言い換えると、繊維配向は、バケット１０の事前選択したチューニングにより決定される。振動数特性は、本発明の幾つかの構成では、複合材料１４の積層及び硬化の間に繊維１６の配向を調整することによって制御される。本発明の幾つかの構成では、繊維１６の配向及び／又は織物１６の織り方をファインチューニングすることによって、これらの繊維で作られた織物において異なる方向の強度及び弾性係数を制御することが可能になる。   In some configurations of the present invention and with reference to FIGS. 1 and 2, a method is provided for tuning a row of continuously coupled (continuously coupled) turbine blades 20 or independent turbine blades 20. Promotes a reduction in vibration amplitude and / or damping characteristics. The method includes using a directional fiber 16 orientation in the configuration of the hybrid bucket 10. Bucket 10 can be made of a metal matrix with one or more pockets 11 and the pockets can be filled with a polymer composite. The composite material 14 can be a polyimide-based composite material or another suitable material type. The composite material 14 includes fibers 16, such as glass, carbon, Kevlar® or other fibers, which are bonded, for example, within a resin matrix. The fibers 16 can be contained within a single layer, within multiple layers, within one or more fabric layers, or throughout the matrix 18. The orientation of the fibers 16 can be selected to allow tuning of the bucket 10 in a particular manner and / or can be used to “mix tune” a set of buckets. In other words, the fiber orientation is determined by a preselected tuning of the bucket 10. The frequency characteristics are controlled in some configurations of the invention by adjusting the orientation of the fibers 16 during lamination and curing of the composite material 14. In some configurations of the present invention, by fine tuning the orientation of the fibers 16 and / or the weave of the fabric 16, it is possible to control the strength and elastic modulus in different directions in the fabric made of these fibers. become.

同様に、本発明の幾つかの構成では、また図３〜図７を参照すると、個々のバケット１０の振動数をチューニングするために、繊維１６の特定の配向を使用する。「混合チューニング」は、１つの振動数特性を有する特定の群２２を別の振動数を有する１つ又はそれ以上のその他の群２４と組み合わせる段階を含む。次に、群２２及び２４のブレード２０は、タービン２６（例えば、蒸気タービン又はガスタービン）の機械的減衰性を向上させるのを可能するように、列として組み立てられる（例えば、交互に）。所望の「混合チューニング」の最終結果に応じて、１つ又は２つよりも多い異なる群のブレード２０が存在するようにすることができる。   Similarly, in some configurations of the present invention and with reference to FIGS. 3-7, a specific orientation of the fibers 16 is used to tune the frequency of individual buckets 10. “Mixed tuning” includes combining a particular group 22 having one frequency characteristic with one or more other groups 24 having another frequency. Next, the blades 20 of groups 22 and 24 are assembled (e.g., alternately) to allow for improved mechanical damping of a turbine 26 (e.g., a steam turbine or gas turbine). Depending on the desired “mixed tuning” end result, there may be one or more than two different groups of blades 20.

本発明の構成は、環境が許せばその他の蒸気タービン又はガスタービンのバケット又はブレード（例えば、ガスタービンの前方段圧縮機ブレード）で使用することができる。   The configurations of the present invention can be used with other steam turbine or gas turbine buckets or blades (eg, gas turbine forward stage compressor blades) if the environment allows.

本発明の幾つかの構成は、空気力学的形状及び効率を変更せずに、連続結合型バケット１０又は独立型バケット１０の列の固有振動数及び動的応答性の離調（デチューニング）を可能にする。また、本発明の幾つかの構成は、空気力学的形状及び効率を変更せずに、バケット１０の列を個々にチューニングすること又は設計要件を満たすことができない特定のモードをチューニングすることを可能にする。   Some configurations of the present invention provide for detuning of the natural frequency and dynamic responsiveness of a row of continuously coupled buckets 10 or independent buckets 10 without changing the aerodynamic shape and efficiency. enable. Also, some configurations of the present invention allow individual tuning of rows of buckets 10 or tuning of specific modes that cannot meet design requirements without changing the aerodynamic shape and efficiency. To.

本発明の幾つかの構成は、複合材料の配向を用いてハイブリッドバケットのポケット区域の剛性を制御して、空気力学的効率を変更せずに個々のバケット振動数をチューニングすることを可能にする。繊維１６は、特定のバケット固有振動数を制御することになる特定の方向における剛性を制御するような様々な方法で配向することができる。複合材料１４は、繊維タイプ、織り方及び配向に基づいて、異なる方向において大きく異なる強度及び弾性係数を有するように設計することができる。   Some configurations of the present invention use composite orientation to control the stiffness of the pocket area of the hybrid bucket to allow tuning of individual bucket frequencies without changing the aerodynamic efficiency. . The fibers 16 can be oriented in a variety of ways to control stiffness in a particular direction that will control a particular bucket natural frequency. The composite material 14 can be designed to have vastly different strength and modulus in different directions based on fiber type, weave and orientation.

図４〜図６を参照すると、本発明の幾つかの構成は、列内のブレード２０の固有振動数を混合チューニングすることによって、そのブレード列（連続結合型又は独立型）の空気−弾性応答の抑制を促進することを可能にする。これらの構成は、繊維１６の強化剛性を調整するハイブリッド長尺バケット１０設計を使用する。この調整は、繊維材料１６、織り方及び配向の様々な組合せを使用して異なる方向における剛性を制御することによって達成することができる。振動数及び特性が変化するバケット１０はまた、ブレード群の固有振動数を変えるために使用することができる（前掲の米国特許第５，９３１，６４１号は、ハイブリッドバケット基体の設計について記載している）。本発明のこれらの構成では、少なくとも２つの別個の群２２及び２４のブレード２０が製作される。各群２２、２４は、同一の空気力学的形状及び外部輪郭を有するが、ポケット付きブレード２０内に異なる複合材料充填材１４を含み、それによって２つ（又は、それ以上）のブレード群２２及び２４の固有振動数を意図的に変える。例えば、本発明の幾つかの構成では、一方の群２２は、より高い強度又は「より高い剛性」の複合材料１４を使用するが、他方の群２４は、より低い剛性又はより高い減衰性の材料１４を使用する。また例えば、幾つかの構成では、第１の群２２は、１つの方向に配向された繊維１６を使用し(図４参照)、第２の群２４は、第２の方向に配向された繊維１６を使用する。従って、それら本来の固有振動数の差異を利用するように、２つ又はそれ以上のブレード２０の集団を意図的に製造しかつ論理的に組み立てて、ブレードの空気力学的特性に悪影響を与えずに、同期及び非同期振動に対するブレード応答を減衰するようにする。   With reference to FIGS. 4-6, some configurations of the present invention provide an air-elastic response of a blade row (continuously coupled or stand-alone) by mixing and tuning the natural frequency of the blades 20 in the row. Makes it possible to promote the suppression of These configurations use a hybrid elongate bucket 10 design that adjusts the reinforcing stiffness of the fibers 16. This adjustment can be accomplished by controlling the stiffness in different directions using various combinations of fiber material 16, weave and orientation. The bucket 10 with varying frequency and characteristics can also be used to change the natural frequency of the blade group (see U.S. Pat. No. 5,931,641 cited above for the design of a hybrid bucket base). ) In these configurations of the present invention, at least two separate groups 22 and 24 of blades 20 are fabricated. Each group 22, 24 has the same aerodynamic shape and external contour, but includes different composite fillers 14 within the pocketed blade 20, thereby providing two (or more) blade groups 22 and The natural frequency of 24 is intentionally changed. For example, in some configurations of the present invention, one group 22 uses a higher strength or “higher stiffness” composite 14 while the other group 24 has a lower stiffness or higher damping. Material 14 is used. Also, for example, in some configurations, the first group 22 uses fibers 16 oriented in one direction (see FIG. 4) and the second group 24 is fibers oriented in the second direction. 16 is used. Therefore, a group of two or more blades 20 is intentionally manufactured and logically assembled to take advantage of their natural natural frequency differences without adversely affecting the aerodynamic characteristics of the blades. In addition, the blade response to synchronous and asynchronous vibration is attenuated.

本発明の様々な構成では、個々のバケットの一次固有振動数、連続結合型バケット列の特定のモードチューニング又はその両方を変更するために、繊維配向、処理法又はその両方が使用される。従って、幾つかの構成では、複合材料積層体は、好ましい方向に整列したより多くの繊維を有し、このことが、関心のある方向における剛性に影響を与え、それによって振動数を制御し又はシフトさせる。本発明の幾つかの構成は、異なる方向に配向された幾つかの異なる織物材料層を使用し、それによって２つ又はそれ以上の方向における剛性に影響を与えて、これらの方向の各々において剛性を異なる状態に制御するのを可能にする。   In various configurations of the present invention, fiber orientation, processing methods, or both are used to change the primary natural frequency of individual buckets, specific mode tuning of continuous coupled bucket trains, or both. Thus, in some configurations, the composite laminate has more fibers aligned in the preferred direction, which affects the stiffness in the direction of interest, thereby controlling the frequency or Shift. Some configurations of the present invention use several different fabric material layers oriented in different directions, thereby affecting the stiffness in two or more directions, and stiffening in each of these directions. Can be controlled in different states.

本発明の幾つかの構成では、また図６を参照すると、マトリックス内での準等方性積層長繊維（［０／４５／９０／−４５］ｎのような、ここでｎは、反復積重ね回数である）又は不規則配向長繊維（シート状にモールドした複合物つまり「ＳＭＣ」のような）が、主として上記のような「混合チューニング」手段として利用される。少なくとも２つの別個の組のバケット及びその対応する固有振動数応答が、そのバケット列の正味振動数応答を低下させるように選択した方式で配列される。 In some configurations of the present invention, and with reference to FIG. 6, quasi-isotropic laminated filaments ([0/45/90 / -45] n in the matrix, where n is the repeated stacking Or irregularly oriented long fibers (such as composites molded into sheets or “SMC”) are primarily used as a “mixed tuning” means as described above. At least two separate sets of buckets and their corresponding natural frequency responses are arranged in a manner selected to reduce the net frequency response of the bucket train.

幾つかの構成では、バケット列を混合チューニングするために、繊維配向が使用される。より具体的には、主としてブレードの正圧側面に沿った陥凹部分つまり「ポケット」を備えた２つ又はそれ以上の組のブレード群が、リング状に組み立てられる。これらのブレード群は、タービンの段におけるバケットの組を含む。１つのブレード群は、他の１つ又は複数の組よりも高い共振振動数又は減衰特性を有する。１つの実例構成では、１つのブレード群は、１つの固有振動数が２つの「回転当り（／ｒｅｖ）」基準（例えば、４／ｒｅｖ分割及び５／ｒｅｖ分割）の間に均等に置かれるように構成され、一方、別のブレード群は、別の組の「回転当り（／ｒｅｖ）」刺激（３／ｒｅｖ分割及び４／ｒｅｖ分割回のような）について均等に置かれるように構成された交互の繊維積層配向を有する。固有の異なる減衰性及び振動数応答性は、複合樹脂マトリックス内において異なる繊維材料及び配向を使用する時に生じる。複合繊維織物は、樹脂結合剤と共に使用されて、「ポケット形成」加工の前に存在していた所望の翼形部形状を形成する。   In some configurations, fiber orientation is used to mix tune the bucket row. More specifically, two or more sets of blades with recesses or “pockets” mainly along the pressure side of the blade are assembled in a ring. These blade groups include a set of buckets in a turbine stage. One blade group has a higher resonant frequency or damping characteristic than the other set or sets. In one example configuration, one blade group is such that one natural frequency is evenly placed between two “per rev” (/ rev) criteria (eg, 4 / rev division and 5 / rev division). While another set of blades was configured to be placed equally for another set of “/ rev” stimuli (such as 3 / rev split and 4 / rev split times) Has alternating fiber lamination orientation. Inherently different damping and frequency responsiveness occurs when using different fiber materials and orientations within the composite resin matrix. The composite fiber fabric is used with a resin binder to form the desired airfoil shape that existed prior to the “pocketing” process.

図には、様々なブレード／ポケットの幾何学的形状構成の実施例を示している。図７は、タービン装置内の低圧最終段バケットの典型的な位置を示している。本発明の構成は、温度が許容されるだけ十分に低く、またバケットサイズが許容されるだけ十分に大きいようなタービンの多くの段で使用することができる。本発明の構成はまた、単流式タービンにおいても使用することができる。   The figure shows examples of various blade / pocket geometry configurations. FIG. 7 shows a typical position of the low pressure last stage bucket in the turbine system. The configuration of the present invention can be used in many stages of a turbine where the temperature is low enough to allow and the bucket size is large enough to allow. The configuration of the present invention can also be used in single-flow turbines.

本発明の幾つかの構成は、金属と複合材料との間の接着層内における剪断応力を低減すると共に、バケットに対する複合材料の能動的な機械的固定を行う方法を提供する。本発明の構成は、１つ又はそれ以上の異なる繊維又は織糸配向の層からなる複合材料マトリックスに対して適用可能である。   Some configurations of the present invention provide a method of reducing the shear stress in the adhesive layer between the metal and the composite material and providing active mechanical fixation of the composite material to the bucket. The configuration of the present invention is applicable to a composite matrix consisting of one or more layers of different fibers or yarn orientations.

本発明の幾つかの構成では、また図８及び図９を参照すると、ハイブリッドバケット１０構造の幾何学的な貫通「窓」１２及びポケット１１の構成を示している。これらの構成の幾つかにおけるポケット１１は、流路表面との接合部分５６までの緩やかな傾斜を有する。窓１２は、バケット１０に対する複合材料１４の能動的な機械的取付けを助ける。加えて、窓１２は、複合材料１４と金属バケット１０との間の接着層内における剪断応力を低減する。   In some configurations of the present invention, and with reference to FIGS. 8 and 9, the configuration of the geometric through “window” 12 and pocket 11 of the hybrid bucket 10 structure is shown. The pockets 11 in some of these configurations have a gentle slope to the junction 56 with the channel surface. The window 12 assists in the active mechanical attachment of the composite material 14 to the bucket 10. In addition, the window 12 reduces shear stress in the adhesive layer between the composite material 14 and the metal bucket 10.

本発明の幾つかの構成は、ダイ積層（ｄｉｅ ｌａｙｅｒｅｄ）複合材料１４とバケット１０との間の機械的接合面の改善を促進する複数窓１２構成を備えている。複合材料１４の高い剛性により、バケット１０壁を貫通することが可能になる。（ハイブリッドバケットを有する少なくとも１つの先行技術の構成では、低い耐熱性及び非常に低い剛性を有するポリマーが使用されている。この先行技術の構成における可撓性低温ポリマーではバケット壁を貫通することは不可能である。）
本発明の幾つかの構成では、ハイブリッドバケット１０のポケット１１の幾何学的形状構成は、バケット壁５２を完全に貫通して延びる複数の「窓」１２を含む。ポケット１１は、その縁部の周りで凹状又は凸状のいずれかである。凹状又は凸状構成の選択は、複合材料積層工程の間にいずれが最も有利であるか及び／又はいずれが最も良好な保持特性を有するかに応じて、実験的に行うことができる。窓１２は、ポケット１１及びバケット設計上における応力集中を最少化又は少なくとも減少させるように選択した区域５４内に設置される。窓１２は、該窓１２を備えたバケットの有限要素解析法によって決定されるような様々な形状を有することができる。幾つかの構成では、窓１２は、実験テストによって決定されるような凹状面と凸状面との両方を窓の縁部の周りに使用する。 Some configurations of the present invention include a multiple window 12 configuration that facilitates improving the mechanical interface between the die laminated composite 14 and the bucket 10. The high rigidity of the composite material 14 allows it to penetrate the bucket 10 wall. (At least one prior art configuration having a hybrid bucket uses a polymer with low heat resistance and very low stiffness. Flexible low temperature polymer in this prior art configuration does not penetrate the bucket wall. Impossible.)
In some configurations of the present invention, the geometric configuration of the pocket 11 of the hybrid bucket 10 includes a plurality of “windows” 12 that extend completely through the bucket wall 52. The pocket 11 is either concave or convex around its edge. The choice of concave or convex configuration can be made experimentally depending on which is most advantageous during the composite lamination process and / or which has the best holding properties. The window 12 is placed in an area 54 that is selected to minimize or at least reduce stress concentrations on the pocket 11 and bucket design. The window 12 can have a variety of shapes as determined by the finite element analysis of the bucket with the window 12. In some configurations, the window 12 uses both concave and convex surfaces around the edge of the window as determined by experimental testing.

本発明の幾つかの構成では、複合材料１４は、樹脂結合剤／充填材１８を使用して層状に構成したガラス、カーボン、Ｋｅｖｌａｒ又はその他の材料のような織物１６を含む。層状複合材料１４は、例えば事前含浸した一方向テープ又は織物テープを使用して作られる。層状複合材料を作るための好適な方法の１つのその他の実施例には、注型時に繊維上に樹脂を射出する方法が含まれる。幾つかの構成では、耐熱ポリイミド基材が使用されるが、耐熱能力を有するその他のポリマーもまた好適である。   In some configurations of the present invention, the composite material 14 includes a fabric 16 such as glass, carbon, Kevlar or other material that is layered using a resin binder / filler 18. The layered composite material 14 is made, for example, using pre-impregnated unidirectional tape or woven tape. One other example of a suitable method for making a layered composite material includes a method of injecting a resin onto the fibers during casting. In some configurations, a heat resistant polyimide substrate is used, but other polymers with heat resistant capabilities are also suitable.

本発明の充填材に対する金属縁部設計の構成は、前縁において使用することに限定されるものではなく、それに限定されないが、外側寄り縁部を含む全ての縁部に適用可能である。内側寄り縁部は、「湿り」蒸気の半径方向外向きの流れを引き起こす遠心荷重による大きな入射角流又は純粋半径方向流を有する半径方向流れ場と出会うことになる。アンダーカットは、問題の縁部近くの翼形部の厚さに応じて、小さい又は大きい半径を有する。アンダーカットは、応力集中を減少させるような方法でポケットの背壁と徐々に同一面になることになる。   The configuration of the metal edge design for the filler of the present invention is not limited to use at the leading edge and is applicable to all edges including but not limited to the outer edge. The inboard edge will encounter a radial flow field with a large incident angular flow or pure radial flow due to centrifugal loading that causes a radially outward flow of “wet” steam. The undercut has a small or large radius depending on the thickness of the airfoil near the edge in question. The undercut will gradually become flush with the back wall of the pocket in such a way as to reduce the stress concentration.

本発明の幾つかの構成は、複合材料がポケット内で硬化する間に、翼形部の両側面上に「コールシート（ｃａｕｌ ｓｈｅｅｔ）」を有する。コールシートは、ポケットが機械加工された場所に翼形部形状を形成する。「ポケット形成」の前に存在していた翼形部形状を再形成するために、樹脂充填材が使用される。   Some configurations of the present invention have “caul sheets” on both sides of the airfoil while the composite material cures in the pocket. The call sheet forms an airfoil shape where the pocket is machined. Resin fillers are used to reshape the airfoil shape that existed before “pocketing”.

さらに、本発明の幾つかの構成は、バケットポケット内への複合材料の付加的な機械的取付けを付加し、それによって複合材料と金属翼形部との間の接着層内における剪断応力を低減する方法を提供する。本発明の幾つかの構成はまた、バケット内での複合マトリックスの能動的な機械的保持を付加する。   In addition, some configurations of the present invention add additional mechanical attachment of the composite material into the bucket pocket, thereby reducing shear stress in the adhesive layer between the composite material and the metal airfoil. Provide a way to do it. Some configurations of the present invention also add active mechanical retention of the composite matrix within the bucket.

従って、要約すると、また再び図１及び図２を参照すると、本発明の幾つかの構成は、金属母材を含むタービンバケット１０内の応力を低減する方法を提供する。本方法は、バケット１０内の１つ又は複数のポケット１１を樹脂マトリックス１８内に連続繊維１６を有するポリマー複合材料１４で充填する段階を含む。繊維１６は、バケットの事前選択した振動数チューニングにより決定された配向を有する。   Thus, in summary, and referring again to FIGS. 1 and 2, some configurations of the present invention provide a method for reducing stress in a turbine bucket 10 that includes a metal matrix. The method includes filling one or more pockets 11 in the bucket 10 with a polymer composite 14 having continuous fibers 16 in a resin matrix 18. The fibers 16 have an orientation determined by preselected frequency tuning of the bucket.

図３〜図７を参照すると、本方法は、バケットの事前選択した振動数チューニング法が少なくとも第１の群２２のブレード２０と第２の群２４のブレード２０との間で異なっている複数のタービンブレード２０内の複数のタービンブレードバケット１０に対して反復することができる。さらに、幾つかの方法は、タービン２６の機械的減衰を達成するように、第１の群２２のブレード２０と第２の群２４のブレード２０とを組み立てる段階を含む。本方法はまた、第１の群２２からのブレード２０と第２の群２４からのブレード２０とを交互に組み立てる段階を含むことができる。また、幾つかの構成では、複数のタービンブレード２０は、同一の外部空気力学的形状及び輪郭を有し、またブレード２０は、少なくとも２つの群２２、２４を含み、１つの群２２は、他の１つ又は複数の群２４よりも高い強度又は剛性のいずれか又は両方を有する複合材料１４をバケット１０内に有する。複数のタービンブレード２０が同一の外部空気力学的形状及び輪郭を有しまたブレード２０が少なくとも２つの群２２、２４を含む本発明の幾つかの構成では、本方法はさらに、1つの群２２において他の１つ又は複数の群２４におけるのとは異なる方向に樹脂マトリックス１８内で繊維１６を配向する段階を含む。   3-7, the method includes a plurality of buckets with a preselected frequency tuning method that differs between at least the blades 20 of the first group 22 and the blades 20 of the second group 24. Iterations can be made for a plurality of turbine blade buckets 10 within the turbine blade 20. Further, some methods include assembling the first group 22 blades 20 and the second group 24 blades 20 to achieve mechanical damping of the turbine 26. The method can also include assembling the blades 20 from the first group 22 and the blades 20 from the second group 24 alternately. Also, in some configurations, the plurality of turbine blades 20 have the same external aerodynamic shape and contour, and the blades 20 include at least two groups 22, 24, one group 22 being the other A composite material 14 in the bucket 10 that has either or both higher strength and / or stiffness than the one or more groups 24. In some configurations of the present invention where the plurality of turbine blades 20 have the same external aerodynamic shape and contour and the blades 20 include at least two groups 22, 24, the method further includes: Orienting the fibers 16 within the resin matrix 18 in a different direction than in the other group or groups 24.

図４〜図６を参照すると、本発明の幾つかの構成はさらに、より多くの繊維が異なる第２の方向３８よりも第１の好ましい方向３６に配向された状態の少なくとも２つの方向に配向された繊維１６で複合材料１４を補充する段階を含む。また、図１０を参照すると、本発明の幾つかの構成は、異なる層内で異なる方向に配向された繊維１６を有する複数の異なる織物材料の層４０、４２で複合材料１４を補充する段階を含む。複合材料１４は、準等方性積層体を含むことができ、本方法はさらに、バケット列の正味振動数応答を低下させるような構成で２つの別個の組のバケットを配列する段階を含むことができる。幾つかの構成では、複合材料は、不規則配向長繊維１６をマトリックス１８内に含み、本方法は、バケット列の正味振動数応答を低下させるような構成で２つの別個の組のバケットを配列する段階を含む。   4-6, some configurations of the present invention are further oriented in at least two directions with more fibers oriented in a first preferred direction 36 than in a different second direction 38. Replenishing the composite material 14 with the formed fibers 16. Referring also to FIG. 10, some configurations of the present invention include the step of replenishing composite material 14 with a plurality of layers 40, 42 of different fabric materials having fibers 16 oriented in different directions in different layers. Including. The composite material 14 can include a quasi-isotropic laminate, and the method can further include arranging two separate sets of buckets in a configuration that reduces the net frequency response of the bucket train. Can do. In some configurations, the composite material includes randomly oriented long fibers 16 within the matrix 18 and the method arranges two separate sets of buckets in a configuration that reduces the net frequency response of the bucket row. Including the steps of:

別の態様では、また再び図１〜図７を参照すると、本発明の幾つかの構成は、チューニング済みタービンブレード２０を提供する。本ブレードは、１つ又は複数のポケット１１を備えた金属母材を含む少なくとも１つのバケット１０を有し、ポケット１１は、樹脂マトリックス１８内に結合された連続繊維１６を有するポリマー複合材料１４で充填される。繊維１６は、バケットの事前選択した振動数チューニングにより決定された配向を有する。本発明の幾つかの構成は、複数のタービンブレード２０を含み、この複数のタービンブレード２０は、少なくとも、第１の振動数にチューニングしたバケット１０を有する第１の群の２２ブレード２０と、異なる第２の振動数にチューニングしたバケット１０を有する第２の群２４のブレード２０とを含む。ブレード２０は、ガス又は蒸気タービン２６の機械的減衰を達成するように組み立てられる。幾つかの構成では、複数のバケット１０は、第１の群２２及び第２の群２４のみからなり、第１の群２２のバケット１０を有するブレード２０は、第２の群２４のバケット１０を有するブレード２０と交互に組み立てられる。本発明の幾つかの構成は、同一の外部空気力学的形状及び輪郭を有する複数のタービンブレード２０を含み、ブレード２０は、その各々がバケット１０内に異なる複合材料１４を有する少なくとも２つの群２２、２４を含む。本発明のさらに別の構成は、同一の外部空気力学的形状及び輪郭を有する複数のタービンブレード２０を含み、ブレード２０は、少なくとも２つの群２２、２４を含む。これらの構成では、１つの群２２は、他の１つ又は複数の群２４よりも高い強度又は剛性のいずれか又は両方を有する複合材料１４をバケット１０内に有する。さらに他の形態は、同一の外部空気力学的形状及び輪郭を有する複数のタービンブレード２０を含む。しかしながら、ブレード２０は、少なくとも２つの群２２、２４を含み、１つの群２２は、他の1つ又は複数の群２４とは異なる方向に配向された繊維１６を有する。   In another aspect, and referring again to FIGS. 1-7, some configurations of the present invention provide a tuned turbine blade 20. The blade has at least one bucket 10 comprising a metal matrix with one or more pockets 11, the pockets 11 being a polymer composite 14 having continuous fibers 16 bonded within a resin matrix 18. Filled. The fibers 16 have an orientation determined by preselected frequency tuning of the bucket. Some configurations of the present invention include a plurality of turbine blades 20, which differ from at least a first group of 22 blades 20 having a bucket 10 tuned to a first frequency. And a second group 24 of blades 20 having buckets 10 tuned to a second frequency. The blade 20 is assembled to achieve mechanical damping of the gas or steam turbine 26. In some configurations, the plurality of buckets 10 consists only of the first group 22 and the second group 24, and the blade 20 having the buckets 10 of the first group 22 has the buckets 10 of the second group 24. Assembled alternately with blades 20 having. Some configurations of the present invention include a plurality of turbine blades 20 having the same external aerodynamic shape and contour, the blades 20 having at least two groups 22 each having a different composite material 14 within the bucket 10. , 24. Yet another configuration of the present invention includes a plurality of turbine blades 20 having the same external aerodynamic shape and contour, the blades 20 including at least two groups 22,24. In these configurations, one group 22 has a composite material 14 in the bucket 10 that has either strength or rigidity, or both, higher than the other group or groups 24. Yet another form includes a plurality of turbine blades 20 having the same external aerodynamic shape and contour. However, the blade 20 includes at least two groups 22, 24, with one group 22 having fibers 16 oriented in a different direction than the other group or groups 24.

本発明の幾つかの構成は、タービンブレード２０を提供し、本タービンブレード２０では、複合材料１４は、より多くの繊維１６が異なる第２の方向３８よりも第１の好ましい方向３６に配向された状態で少なくとも２つの方向に配向された繊維１６を有する。同様に、また図１０を参照すると、本発明の幾つかの構成は、タービンブレード２０を提供し、本タービンブレード２０では、複合材料１４は、異なる層４０、４２内で異なる方向に配向された繊維１６を有する複数の異なる織物材料の層４０、４２を含む。   Some configurations of the present invention provide a turbine blade 20 in which the composite material 14 is oriented in a first preferred direction 36 over a second direction 38 in which more fibers 16 are different. And have fibers 16 oriented in at least two directions. Similarly, and with reference to FIG. 10, some configurations of the present invention provide a turbine blade 20 in which the composite material 14 is oriented in different directions within different layers 40, 42. A plurality of different fabric material layers 40, 42 having fibers 16 are included.

本発明のさらに他の構成は、複数のタービンブレード２０を提供し、本複数のタービンブレード２０では、複合材料１４は、マトリックス１８内に準等方性積層又は不規則配向のいずれかの長繊維１６を含む。少なくとも２つの別個の組のバケット１０が、バケット列の正味振動数応答を低下させる構成で配列される。   Yet another configuration of the present invention provides a plurality of turbine blades 20 in which the composite material 14 is a long fiber that is either quasi-isotropic laminated or randomly oriented within a matrix 18. 16 is included. At least two separate sets of buckets 10 are arranged in a configuration that reduces the net frequency response of the bucket train.

本発明のさらに別の構成は、タービンブレード２０を提供し、本タービンブレード２０は、その壁５２を完全に貫通した複数の窓ポケット１１を備えたバケット１０を有する。窓１２は、窓ポケット１１における応力集中を最少化するか又は少なくとも減少させる区域５４内に位置決めされ、またブレード２０はさらに、樹脂マトリックス１８と織物材料１６の層とを含む複合材料１４を含む。   Yet another configuration of the present invention provides a turbine blade 20 having a bucket 10 with a plurality of window pockets 11 that completely penetrate the wall 52 thereof. The window 12 is positioned in an area 54 that minimizes or at least reduces stress concentrations in the window pocket 11, and the blade 20 further includes a composite material 14 that includes a resin matrix 18 and a layer of woven material 16.

従って、本発明の構成により、タービンバケット内の応力を低減すること並びに／或いは特にバケット振動数及び／又は減衰特性を変えることが可能になる。   Thus, the configuration of the present invention makes it possible to reduce the stress in the turbine bucket and / or change the bucket frequency and / or damping characteristics, in particular.

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。   While the invention has been described in terms of various specific embodiments, those skilled in the art will recognize that the invention can be practiced with modification within the spirit and scope of the claims.

タービンブレード内の複数窓ポケットの構成の斜視図。The perspective view of the structure of the several window pocket in a turbine blade. 図１に示すポケットのようなポケットを充填するのに使用した複合材料の一部分の斜視図。FIG. 2 is a perspective view of a portion of a composite material used to fill a pocket, such as the pocket shown in FIG. 本発明の幾つかの構成でタービン内に組み立てられた複数のブレード群の幾つかの斜視図。FIG. 3 is a perspective view of several blade groups assembled in a turbine in several configurations of the present invention. 一軸繊維配向の実施例を示す図。The figure which shows the Example of uniaxial fiber orientation. 二軸繊維配向の実施例を示す図。The figure which shows the Example of biaxial fiber orientation. 準等方性繊維配向の実施例を示す図。The figure which shows the Example of quasi-isotropic fiber orientation. 最終段バケットの位置を示す、双流式ＬＰ蒸気タービンの側面断面図。The side sectional view of a double flow type LP steam turbine which shows the position of the last stage bucket. 点線が凹状接合面を表し、より具体的には貫通窓の１つを囲む実線が凸状接合面を表しまた貫通窓の２つを囲む点線が凹状接合面を表している、複数窓ポケットの構成の側面図。A dotted line represents a concave joint surface, more specifically, a solid line surrounding one of the through windows represents a convex joint surface, and a dotted line surrounding two of the through windows represents a concave joint surface. The side view of a structure. 複数窓を備えたバケット断面構成の上面図。The top view of the bucket cross-sectional structure provided with the several window. 複数の織物層を有する複合材料充填材の構成の部分側面図。The partial side view of the structure of the composite material filler which has several textile layers.

符号の説明Explanation of symbols

１０ バケット
１１ ポケット
１２ 窓
１４ 複合材料
１６ 繊維
１８ マトリックス
２０ タービンブレード
２２ 第１の群
２４ 第２の群
２６ タービン
３６ 好ましい方向
３８ 第２の方向
４０ 異なる層
４２ 異なる層
５２ バケット壁
５４ 領域
５６ 境界部分 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Bucket 11 Pocket 12 Window 14 Composite material 16 Fiber 18 Matrix 20 Turbine blade 22 First group 24 Second group 26 Turbine 36 Preferred direction 38 Second direction 40 Different layer 42 Different layer 52 Bucket wall 54 Region 56 Boundary part

Claims (10)

金属母材を含むタービンバケット（１０）内の応力を低減する方法であって、
前記バケット内の１つ又は複数のポケット（１１）を、樹脂マトリックス（１８）内に連続繊維（１６）を有する複合材料（１４）で充填する段階を含み、
前記繊維が、前記バケットの事前選択した振動数チューニングにより決定された配向を有する、
方法。 A method for reducing stress in a turbine bucket (10) comprising a metal matrix, comprising:
Filling one or more pockets (11) in the bucket with a composite material (14) having continuous fibers (16) in a resin matrix (18);
The fibers have an orientation determined by a preselected frequency tuning of the bucket;
Method. 少なくとも１つのバケット（１０）を含み、
前記バケットが、樹脂マトリックス（１８）内に結合された連続繊維（１６）を有するポリマー複合材料（１４）で充填された１つ又は複数のポケット（１１）を備えた金属母材を含み、
前記繊維が、前記バケットの事前選択した振動数チューニングにより決定された配向を有する、
チューニング済みタービンブレード（２０）。 Including at least one bucket (10);
The bucket comprises a metal matrix with one or more pockets (11) filled with a polymer composite (14) having continuous fibers (16) bonded within a resin matrix (18);
The fibers have an orientation determined by a preselected frequency tuning of the bucket;
Tuned turbine blade (20). その各々が複数の前記バケット（１０）を含み、
前記複数のバケットが、少なくとも、第１の振動数にチューニングした複数のバケットを有する第１の群（２２）のブレードと、異なる第２の振動数にチューニングした第２の群(２４) のブレードとを含み、
前記第１及び第２の群のブレードが、所定の機械的減衰を達成するように組み立てられる、
請求項２に各々記載の複数のタービンブレード（２０）。 Each including a plurality of said buckets (10);
A blade of the first group (22) having a plurality of buckets tuned to at least a first frequency, and a blade of a second group (24) tuned to a different second frequency. Including
The first and second groups of blades are assembled to achieve a predetermined mechanical damping;
A plurality of turbine blades (20) according to claim 2, respectively. 該複数のブレードが、前記第１の群（２２）と前記第２の群（２４）とからなり、
前記第１の群のブレードが、前記第２の群のブレードと交互に組み立てられる、
請求項３記載の複数のタービンブレード（２０）。 The plurality of blades consists of the first group (22) and the second group (24);
The first group of blades are alternately assembled with the second group of blades;
A plurality of turbine blades (20) according to claim 3. 該複数のタービンブレードが、同一の外部空気力学的形状及び輪郭を有し、
該複数のブレードが、少なくとも２つの群（２２、２４）を含み、
その各群が、前記バケット（１０）内に異なる複合材料（１４）を有する、
請求項３記載の複数のタービンブレード（２０）。 The plurality of turbine blades have the same external aerodynamic shape and contour;
The plurality of blades includes at least two groups (22, 24);
Each group has a different composite material (14) in the bucket (10).
A plurality of turbine blades (20) according to claim 3. 該複数のタービンブレードが、同一の外部空気力学的形状及び輪郭を有し、
該複数のブレードが、少なくとも２つの群（２２、２４）を含み、
その１つの群が、他の１つ又は複数の群よりも高い強度の複合材料及び高い剛性の複合材料の少なくとも１つを有する、
請求項２記載の複数のタービンブレード（２０）。 The plurality of turbine blades have the same external aerodynamic shape and contour;
The plurality of blades includes at least two groups (22, 24);
The one group has at least one of a higher strength composite material and a higher stiffness composite material than the other group or groups.
A plurality of turbine blades (20) according to claim 2. 該複数のタービンブレードが、同一の外部空気力学的形状及び輪郭を有し、
該複数のブレードが、少なくとも２つの群（２２、２４）を含み、
その１つの群が、他の１つ又は複数の群とは異なる方向に配向された繊維（１６）を有する、
請求項３記載の複数のタービンブレード（２０）。 The plurality of turbine blades have the same external aerodynamic shape and contour;
The plurality of blades includes at least two groups (22, 24);
One group having fibers (16) oriented in a different direction than the other group or groups,
A plurality of turbine blades (20) according to claim 3. 前記複合材料（１４）が、少なくとも２つの方向に配向された繊維（１６）を有し、
より多くの前記繊維が、異なる第２の方向（３８）よりも第１の好ましい方向（３６）に配向される、
請求項２記載のタービンブレード（２０）。 The composite (14) has fibers (16) oriented in at least two directions;
More of the fibers are oriented in the first preferred direction (36) than in a different second direction (38);
The turbine blade (20) according to claim 2. 前記複合材料（１４）が、異なる層内で異なる方向に配向された繊維（１６）を有する複数の異なる織物材料の層（４０、４２）を含む、請求項２記載のタービンブレード（２０）。   The turbine blade (20) according to claim 2, wherein the composite material (14) comprises a plurality of layers (40, 42) of different textile materials having fibers (16) oriented in different directions in different layers. 前記複合材料（１４）が、マトリックス（１８）内に準等方性積層又は不規則配向のいずれかの長繊維を含み、
少なくとも２つの別個の組の前記バケット（１０）が、バケット列の正味振動数応答を低下させる構成で配列される、
請求項２記載の複数のタービンブレード（２０）。 The composite (14) comprises long fibers of either quasi-isotropic lamination or irregular orientation in the matrix (18);
At least two separate sets of the buckets (10) arranged in a configuration that reduces the net frequency response of the bucket train;
A plurality of turbine blades (20) according to claim 2.
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